[发明专利]用于固定二氧化碳的构建体、菌株及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物质能源领域、生物化学领域和基因工程领域。具体而言，本发明涉及用于在异养微生物(例如异养发酵菌株，例如大肠杆菌)中实现二氧化碳固定和/或减少二氧化碳排放的构建体，包含所述构建体的载体，包含所述构建体或用所述载体转化的异养微生物(例如异养发酵菌株，例如大肠杆菌)，以及在异养微生物(例如异养发酵菌株，例如大肠杆菌)中固定二氧化碳和/或减少二氧化碳排放的方法。

背景技术

能源需求的持续快速增长与能源价格的不断攀升，石化能源供给的不足以及大量使用石化能源所导致的环境污染与气候变化等问题使得发展可再生替代能源迫在眉睫。针对减少对石油资源的依赖、降低二氧化碳排放等问题，以生物质资源利用为基础的、生产生物燃料和生化产品的技术是一个有吸引力和有效的手段。然而，生物燃料和生化产品的生产过程中的二氧化碳排放，使得生物制品的环境友好及“零碳排放”变得有争议。在生物质发酵过程中，由于微生物的代谢性质，二氧化碳排放在本质上是不可避免的。大多数具有活性和功能的生物大分子例如碳水化合物，脂肪和蛋白质在被降解和氧化的过程中，均伴有二氧化碳的产生/释放。例如，在以葡萄糖为底物、厌氧发酵生物质以生产生物制品及衍生糖类时，每产生一分子乙醇都伴有一分子二氧化碳的排放：C₆H₁₂O₆→2C₂H₅OH+2CO₂。因此，无论从科学研究的角度，还是从优化工业生产及环境保护的角度来看，解决微生物发酵过程中的二氧化碳排放问题都非常必要。

在植物和自养微生物中，二氧化碳可以被固定并转化为有机生物质。目前已鉴定了六种不同的二氧化碳固定途径，包括例如卡尔文循环、核酮糖-单磷酸途径(Ribolose-Monophosphate Pathway)和丝氨酸途径(Serine Pathway)等(参见，例如图1B)。这些代谢途径存在于不同的生物体系中，并且由光、硫化物、氢等各种能量在厌氧或好氧的环境下提供还原力。

在本申请中，发明人创造性地将原核生物的CO₂固定途径引入了异养微生物，从本质上减少了微生物发酵过程中的二氧化碳排放/释放(参见，例如图1C)，从而为解决微生物发酵过程中的二氧化碳排放问题提供了新的思路和手段。

发明内容

相关术语

在本发明中，除非另有说明，否则本文中使用的科学和技术名词具有本领域技术人员所通常理解的含义。并且，本文中所用的细胞培养、分子遗传学、核酸化学、免疫学、分析化学等实验室操作步骤均为相应领域内广泛使用的常规步骤。同时，为了更好地理解本发明，下面提供相关术语的定义和解释。

如本发明中所使用的，术语“异养”是相对于“自养”而言的，其具有本领域技术人员所通常理解的含义。通常，“自养微生物”是指，不依赖于任何有机营养物即可正常生活的微生物，“异养微生物”是指，必须依赖于至少一种有机营养物才可正常生活的微生物。自养微生物的一个典型代表是蓝细菌(Cyanobacterium)，例如鱼腥藻、聚球藻或集胞藻(例如集胞藻PCC6803(Synechocystis sp.PCC6803))。蓝细菌也称为蓝藻，其是能够利用太阳能来固定二氧化碳的光合自养型原核微生物。异养微生物的一个典型代表是大肠杆菌(E.coli)，例如大肠杆菌菌株BL21(DE3)。大肠杆菌因容易培养、遗传学清晰、生长周期短等优点，已成为最广泛使用且最具有代表性的原核异养微生物。

如本发明中所使用的，磷酸核酮糖激酶(phosphoribulokinase,prk)是指，能够催化将5-磷酸核酮糖转化为1,5-二磷酸核酮糖的下述反应的酶(EC2.7.1.19)：

编码野生型磷酸核酮糖激酶(EC2.7.1.19)的基因是本领域公知的，并且可获得自各种公共数据库(例如GENBANK，EXPASY等)。此外，编码磷酸核酮糖激酶(EC2.7.1.19)的基因可获自各种来源，例如其可以来源于蓝细菌(例如鱼腥藻、聚球藻或集胞藻)或绿藻(例如原绿球藻)。